被动型铷原子钟相位处理技术的探索

摘要

目前所有的被动型原子钟都是采用的频率处理方式,其频率稳定度随时间变化规律是1/√τ.而主动型原子钟采用的是相位处理方式,其频率稳定度随时间变化规律是1/√τ.如若以被动型原子钟为研究对象,改变其传统的频率处理方式,将频率处理改为相位处理,那么将大大提高频率源的短中期频率稳定度,甚至对长期频率稳定度指标也有所改善.通常人们以频率稳定度以及频率准确度来评价一个频率源的好坏,频率稳定度变化曲线越陡峭频率稳定度越高,则这个频率源就越好.现实原子频标作为源应用时,其输出信号频率可以是在准确度不高但稳定度高的情况下提供一个准确的偏差,但是绝不可以是一个频率稳定度较差的信号.因此提升被动型原子钟的频率稳定度具有重要的研究价值. 本文针对被动型铷原子频标,探索其相位处理的可能实现方式.观察发现,被动型铷原子钟在能级跃迁时候会周期性发生跃迁最大概率点现象.研究分析,这种现象的产生是与激励信号中所含有的频差信号以及低频调制信号的共同作用所致.频差信号实际上是从晶体振荡器传递过来,而具体导致的输出反应是光检测信号波形的不规则.结合虚拟重建方面的理论,可以从光检测信号与低频调制信号中通过连续无间隔的测量恢复出原子能级跃迁最大概率点时刻的频差.具体的做法是在被动铷钟频率稳定后断开其频率处理环路,对光检测信号以及调制信号进行连续无间隔的采样,在每一个调制周期内,寻找光检测信号的最低点以及相互对应的调制信号的过零点,记录两者之间的时间差值.再结合铷钟物理部分的数学模型,可以计算出该时间差值对应的频差大小.最后结合频率转相位的关系式,以及控制晶体振荡器相位差与激励信号相位差之间的系数,就可以得到晶体振荡器的相位差信号,进而得到控制晶体振荡器的电压信号,对晶振进行控制,完成被动铷钟的相位处理.整个处理过程都是数字化的,大大的简化了模拟线路方面的处理,在提高频率稳定度的基础上也提高了效率. 本文简单介绍了频率处理、相位处理、多周期同步、虚拟重建等基础理论,着重叙述了在基于虚拟重建的理论基础上如何通过原子能级跃迁最大概率点现象来找到需要的频差信号以及整个相位恢复过程,并对该理论予以实验验证.实验结果显示在被动铷原子钟中引入相位处理的方式可以提高其频率稳定度.这种处理方式也应当被引入其他被动型原子钟中去.

目录

第一个书签之前

摘 要

ABSTRACT

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

目 录

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 论文的重点工作介绍和安排

1.4 本章小结

第二章 频率稳定度及传统的原子钟

2.1 频率稳定度

2.2 频率处理与相位处理的频率稳定度

2.3 传统被动型原子钟

2.4 传统主动型原子钟

2.5 不同装置的频率稳定度曲线

2.6 本章小结

第三章被动型铷原子钟相位处理的原理研究

3.1 相位概念的新认识及应用

3.1.1 周期信号之间相位关系

3.1.2 模糊区及其测量

3.2 基于相位的数字化重建测频原理

3.3 铷原子能级跃迁最大概率现象

3.4 被动型铷原子频标的复杂相位现象

3.4.1 被动铷钟鉴频器数学模型

3.4.2 光检输出与高频激励数学建模

3.4.3 最大概率点频差的提取

3.5 被动铷钟相位差的恢复

3.6 本章小结

第四章被动型铷原子钟数字化相位处理设计

4.1 实验总体方案设计

4.2 器件选型

4.2.1 铷原子钟的定制模块

4.2.2 数据转换以及线路模块

4.2.3 数据处理的MCU模块

4.3 软件设计部分

4.3.1 A/D及D/A的配置设计

4.3.2 STM32的配置与算法编程

4.4 本章小结

第五章实验数据及误差分析

5.1 重要硬件模块及软件算法性能测试

5.1.1 铷原子钟性能测试

5.1.2 衰减器性能测试

5.1.3 A/D性能测试

5.1.4 最低点与过零点的定位

5.2 相位处理的优越性及被动铷钟稳定度探索

5.2.1 虚拟重建的验证实验

5.2.2 修正型被动铷钟稳定度

5.2.3 非实时相位处理被动铷钟稳定度

5.3 误差分析

5.3.1 平均频差的误差

5.3.2 光检测信号的延迟误差

5.3.3 最低点以及过零点的处理算法误差

5.3.4 MCU的处理误差

5.3.5 采样所用的频率源误差

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致 谢

作者简介

1.基本情况

2.教育背景

3.攻读硕士学位期间的研究成果

3.1申请（授权）专利

3.2参与科研项目及获奖

附 录

附录A A/D配置及初始化代码

附录B D/A配置及初始化代码

附录C SPI1配置及初始化代码

附录D SPI2配置及初始化代码

附录E 三次插值滤波法代码

附录F 10M与4.290913M连续无间隔计数

附录G AD采集低频调制信号与光检测信号

附录H 非实时相位处理铷钟输出数据